Nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển các thiết bị điện bằng sóng radio và thiết bị di động (GSM)

1 LêI NãI §ÇU Ngôi nhà thông minh đang được nghiên cứu và phát triển trên thế giới. Việc điều khiển các thiết bị điện trong nhà trực tiếp và từ xa là yêu cầu cơ bản của điều khiển ngôi nhà thông minh. Việc điều khiển từ xa có thể có thiết bị riêng có thể sử dụng mạng internet và đặc biệt là sử dụng một phương tiện đang thịnh hành là điện thoại di động. Nghiên cứu ứng dụng công nghệ di động sử dụng cho mục đích ngoài thông tin liên lạc cũng đang trở thành một đề tài thu hút nhiều công trình khoa học trên thế giới cũng như trong nước tham gia. Chính vì thế đề tài “Nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển các thiết bị điện bằng sóng radio và thiết bị di động(GSM)” chỉ tập trung vào nghiên cứu việc điều khiển từ xa thiết bị điện trong nhà bằng điện thoại di động nhằm bước đầu làm quen, tiếp cận và xây dựng hệ thống điều khiển từ xa cơ bản dựa trên công nghệ di động. Đề tài tập chung nghiên cứu xây dựng một hệ thống điều khiển đồng bộ bao gồm phần mềm trên máy tính nhận, xử lý các tin nhắn điều khiển, và phần cứng thực thi các lênh điều khiển đó. Phần cứng xây dựng dựa trên nền tảng là modem GSM và chip PIC của hãng Microchip. Đối tượng điều khiển là các thiết bị điện gia dụng với mục tiêu tạo thuận tiện cho người dùng trong việc bật tắt nguồn và giám sát thiết bị từ đó góp phần giảm thời gian tiêu hao năng lượng, thực hiện tiết kiệm điện, , đáp ứng nhu cầu điều khiển từ xa. 2 Chương 1 §iÒu khiÓn ng«i nhµ th«ng minh b»ng c«ng nghÖ di ®éng Nhà thông minh là ngôi nhà mà các thiết bị của nó có cấu trúc đặc biệt cho phép chủ nhân của chúng có thể điều khiển từ xa hoặc cho toàn bộ các thiết bị điện trong nhà hoạt động tự động theo chương trình định trước bằng 1 lệnh đơn giản. Ví dụ như, chủ nhà có thể sử dụng một chiếc điện thoại để ra lệnh cho hệ thống an ninh, điều khiển nhiệt độ, bật tắt một vài thiết bị, điều khiển hệ thống chiếu sáng, cho phép hệ thống giải trí hay hệ thống rạp hát tại nhà hoạt động, hay thực hiện nhiều tác vụ khác. Phạm vi của hệ thống “Ngôi nhà thông minh” ngày càng được mở rộng theo sự phát triển của công nghệ điện tử. Mạng của ngôi nhà bao gồm các hệ thống thông tin, giải trí, an ninh, điều khiển các phụ tải, điều hòa nhiệt độ…. Các tín hiệu sẽ gửi lệnh tới các địa chỉ tương ứng hoặc các vị trí cụ thể của từng thiết bị. Mục đích của đề tài là thiết kế và thi công hệ thống điều khiển thiết bị điện từ xa bằng tin nhắn SMS thông qua mạng điện thoại di động với khả năng phản hồi trạng thái, kết quả điều khiển thiết bị bằng tin nhắn Hình 1.1. Mô hình tổng quan 3 phản hồi, và tự động gọi điện cho người điều khiển khi hệ thống đã hoàn thành nhiệm vụ, tạo cảm giác yên tâm cho người điều khiển. Một mô hình nhà thông minh đơn giản như trong hình 1.1 . Trong đó điện thoại di động làm tác nhân trung gian thông qua một hệ thống xử lý tín hiệu để điều khiển bật tắt các thiết bị như: tivi, tủ lạnh, máy giặt, đèn, quạt…Như vậy điện thoại giờ đây ngoài các tính năng thông tin liên lạc còn được ứng dụng để điều khiển từ xa. Sẽ thật thuận tiện nếu chủ nhân ngôi nhà đang làm việc ở công ty hoặc đang trên đường trở về nhà, nhắn 1 tin nhắn yêu cầu ngôi nhà bật điều hòa hay bật bình nóng lạnh, lúc đó chủ nhân về tới nhà chỉ việc sử dụng, điều này sẽ giảm thiểu thời gian chờ đợi, mang lại tiện ích rất lớn. Hiện nay, “Ngôi nhà thông minh” đang được các nước trên thế giới nghiên cứu và xây dựng thành 1 hệ thống hoàn chỉnh, có rất nhiều phương án khác nhau để xây dựng. Điều khiển từ xa các thiết bị điện trong nhà qua điện thoại di động cũng là một phần của hướng nghiên cứu. 1.1. T×nh h×nh nghiªn cøu øng dông c«ng nghÖ di ®éng trong vµ ngoµi n-íc 1.1.1. VÊn ®Ò nghiªn cøu øng dông c«ng nghÖ di ®éng trong c¸c hÖ thèng ®iÒu khiÓn gi¸m s¸t trªn thÕ giíi Trong những năm gần đây, sự phát triển bùng nổ của công nghệ di động đã khiến công nghệ di động không còn đơn thuần chỉ dùng để liên lạc đàm thoại. Công nghệ di động được ứng dụng vào rất nhiều lĩnh vực khác nhau như: an ninh, giải trí, giao thông vận tải, … và hiện nay công nghệ di động đang được triển khai ứng dụng trong các hệ thống điều khiển giám sát tự động, ứng dụng cho “Ngôi nhà thông minh” . Trên thế giới hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất thiết bị đưa các ứng dụng của công nghệ di động vào sản phẩm của mình. Hình 1.2. là 1 thiết bị điều khiển qua điện thoại di động của hãng Siemen. 4 Do những ưu việt của điện thoại di động, các hệ thống điều khiển qua điện thoại đi động đã được nhiều hãng sản xuất thiết bị trên thế giới phát triển. Đặc điểm cơ bản của các hệ thống này là có sự kết hợp chặt chẽ giữa thiết bị xử lý viễn thông (điện thoại hoặc modem GSM - Global System for Mobile Communications, mạng di động, .) và các hệ thống vi xử lý. System Cotroller System Cotroller Hình 1.3. Mô hình hệ thống điều khiển qua SMS Hình 1.2. Một thiết bị ứng dụng điện thoai di động 5 Một hệ thống cơ bản có thể thấy như ở Hình 1.3 là hệ thống kết nối qua tin nhắn SMS (Short Message System), trong đó điện thoại di động ngoài tính năng xử lý thông tin thông thường thì còn có thể kết nối với hệ thống máy tính. Chúng ta có thể coi điện thoại đầu cuối là Client và máy tính là Server. Thông tin điều khiển được chứa trong tin nhắn SMS tuỳ từng hệ thống quy định, ví dụ như “on10” thì có tác dụng bật đầu ra Output 10 để bật sáng Led hay động cơ hoặc thiết bị nào đã được kết nối. Tương tự, tin nhắn từ phần cứng Master có thể được thiết lập và gửi trở lại thiết bị đầu cuối cho biết trạng thái hệ thống. Ứng dụng trong công nghiệp: Trung tâm SMS công nghiệp (Industrial SMS Center) giúp người sử dụng truy cập nhanh chóng tới các hệ thống thông tin thông qua mạng nhắn tin GSM-SMS. Với những lợi ích từ hệ thống GSM (không dây), dữ liệu có thể được truy nhập ở mọi nơi, mọi lúc bởi bất cứ người sử dụng nào mà không cần có mặt tận nơi, SMS công nghiệp phát triển linh hoạt nhằm kết nối với các dữ liệu chuẩn từ của Yokogawa Exaquanium (gồm Wonderware InSQL, Oracle, SQL) và các cơ sở dữ liệu khác hỗ trợ DDE. Bên cạnh các hệ thống điều khiển sử dụng tin nhắn SMS còn có các hệ thống sử dụng giao thức truyền dữ liệu GPRS (General Packet Radio Service) hoặc MMS… 1.1.2. VÊn ®Ò øng dông c«ng nghÖ di ®éng trong c¸c lÜnh vùc t¹i ViÖt Nam Tại Việt Nam, các mạng điện thoại di động đã và đang phát triển với tốc độ cao. Hiện nay chúng ta đã có 5 nhà cung cấp dịch vụ điện thoại di động lớn đó là: Viettel, Vinaphone, Mobile Phone, S-fone, EVN-Telecom . Sự cạnh tranh giữa các nhà cung cấp đã làm giá thành các dịch vụ trên điện thoại di động giảm đi nhiều lần so với trước đây và gần xấp xỉ với mức giá tại các nước phát triển. Ngoài việc sử dụng điện thoại di động cho mục đích liên lạc, hiện nay ở nước ta, điện thoại di động còn được sử dụng với các mục đích: 6 +) Dch v truy cp internet trờn in thoi di ng qua WAP hoc GPRS. +) Dch v gii trớ d oỏn kt quỏ trờn truyn hỡnh v cỏc dch v da trờn tin nhn SMS khỏc. +) ng dng cụng ngh GSM vo qun lý vn hnh giao thụng +) ng dng in thoi di ng trong iu khin cỏc thit b in trong nh Ngoi ra, cũn mt s dch v khỏc trờn in thoi di ng, nhng nhiờn ớt ph bin hn. c bit, vic tớch hp cỏc ng dng v bo v, cnh bỏo vo in thoi di ng cha c phỏt trin, cú th do mt s iu kin h tng trong nc cha thớch hp, hoc do cỏc thit b hu ht c nhp khu t nc ngoi cú giỏ thnh khỏ cao v khỏ phc tp. H thng iu khin giỏm sỏt qua in thoi di ng ó c hóng Siemens v mt s hóng khỏc a vo gii thiu ti nc ta trong nm 2006. c tớnh ca cỏc h thng ny l cú kh nng tớch hp vi cỏc thit b iu khin ó c lp t ca Siemen mt cỏch ng b. Tuy nhiờn, nú thng ch s dng cho cỏc ng dng trong cụng nghip v giỏ thnh khỏ cao. 1.1. hệ thống điều khiển thiết bị IN T XA qua tin nhắN CA IN THOI DI NG 1.2.1. Chức năng của hệ thống Hin nay, vn tit kim in ang tr nờn núng bng ti nc ta. Cú rt nhiu nguyờn nhõn khỏch quan v ch quan dn n lóng phớ in. Nu cú th tớch hp kh nng tt, m cỏc thit b dõn dng qua in thoi di ng s to cho con ngi kh nng quan sỏt iu khin cỏc thit b trong gia ỡnh bt c ni õu. Tin ớch ny cú th gúp phn vo vic tit kim in, hn ch lóng phớ in v khai thỏc an ton cỏc thit b ú. Mt vớ d n gin v bỡnh núng lnh, cú nc núng chỳng t ch cn s dng in thoi bt in un trc 15 phỳt thay vỡ bt liờn tc. 7 Modem GSM (Nokia 6230) Máy tính Card điều khiển Thiết bị chấp hành Tín hiệu phản hồi digital Tín hiệu phản hồi Analog SMS Client Mobile RS232 Hình 1.4. Sơ đồ khối hệ thống USB Như vậy hệ thống điều khiển từ xa các thiết bị điện qua điện thoại di động được xây dựng với chức năng cơ bản là điều khiển và giám sát các thiết bị điện dân dụng qua điện thoại di động ứng dụng cho “Ngôi nhà thông minh”. 1.2.2. CÊu tróc cña hÖ thèng Hệ thống được cấu tạo từ 2 thành phần cơ bản: Thiết bị đầu cuối hay Client chính là điện thoại di động, và thiết bị phần cứng nhận, xử lý tin nhắn. Hình 1.4 là sơ đồ khối của hệ thống +) Thiết bị đầu cuối - Client Mobile: được sử dụng đồng thời là điện thoại liên lạc của người quản lý hệ thống (admin).Admin sẽ sử dụng điện thoại có gắn sim được đăng kí số thuê bao trong hệ thống, để nhắn tin điều khiển. +) Thiết bị phần cứng bao gồm: - Thiết bị nhận tin nhắn: Điện thoại Nokia6230 - Máy tính có chạy phần mểm điều khiển - Card điều khiển 8 Khi tin nhắn từ Admin được gửi tới thiết bị nhận tin nhắn, nó sẽ được xử lý qua máy tính, máy tính sẽ truyền các lệnh điều khiển trong nội dung tin cho card điều khiển để bật tắt thiết bị. Các tín hiệu phản hồi về trạng thái on/off , nhiệt độ của các thiết bị liên tục được cập nhập bởi Card điều khiển, và có thể được gửi tới Admin nếu Admin yêu cầu. 9 Chương 2 Vi ®iÒu khiÓn Pic16f877A, Modem Nokia6230 cÊu tróc tin nh¾n cña ®iÖn tho¹i 2.1. Vi ®iÒu khiÓn pic16F877A 2.1.1. Giíi thiÖu chung PIC là tên viết tắt của Máy tính khả trình thông minh (Programable Intelligent Computer) do hãng General Instrument đặt tên, con vi điều khiển đầu tiên của họ là PIC1650. Hãng Microchip tiếp tục phát triển các dòng sản phẩm này. Cho đến nay, các sản phẩm vi điều khiển PIC của Microchip đã gần 100 loại, từ họ 10Fxxx đến các họ 12Cxxx, 17Cxx, 16Fxx, 16Fxxx, 16FxxxA, 16LFxxxA, 18Fxxx 18LFxxx. Trên hình 2.1 và hình 2.2 là sơ đồ chân của Pic16f877A Hình 2.1. Sơ đồ chân của PIC16F877A 10 Bảng 2.1. thông số kĩ thuật Pic6F877A Hình 2.2. Sơ đồ chân của PIC16F877A